舰载试验指挥控制系统研究与实践

张 远，韩建兴

(1.解放军92941部队93分队，辽宁 葫芦岛 125001;2.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

随着武器装备技术的发展，海军主战武器系统进入数字时代，海军信息化作战能力发展模式为在初步实现了C3I系统基础上，大力发展基于网络中心战(Network-Centric Warfare，NCW)［1］的协同作战能力系统，利用整体能力实现远程超视距作战能力。形成一体化联合作战能力，需要 C2、C3、C3I、C4I到 C4ISR［2］等不同阶段一体化联合作战综合信息系统的支持和保障。在海军信息化体系作战能力的要求下，海军武器系统鉴定及验证性试验从单一装备试验逐步向一体化试验、协同试验发展。在靶场试验中，试验指挥及控制决策对试验结果影响极大，舰载试验指挥控制系统是保证试验质量的基本保障之一。海军在C4ISR系统上与发达国家相比还存在较大差距，在系统相关的理念、模型和框架方面还处于探索阶段。在STC2S领域，由于其使用范围的局限性，对其相关系统的理论与实践研究更加不足，已落后于海军当前被试及参试武器装备的信息化发展水平，无法满足靶场当前及未来试验要求。因此，如何根据海军信息化装备体系建设要求，加强靶场STC2S建设，是提高靶场试验质量的关键环节之一，需要大力开展STC2S相关研究工作。

1 系统发展的必要性及现状

1.1 试验安全性的需要

在靶场试验及演练等大型任务中，由于导弹及目标飞行速度快、高度高，空中目标及其残骸会散布较大范围，如果空中靶标出现飞行异常，或者导弹自身故障的原因，在不加以监视和控制的情况下，都可能导致导弹和(或)靶标飞出安全区，会对试验海域周边舰艇、大中型城市、码头、石油平台等造成威胁:通过建设STC2S，实现对导弹及其残骸落点区域进行实时监视、分析判断和自毁安全控制，确保导弹及残骸溅落区在安全区或告警区内，避免对区外受保护目标造成损害。

1.2 提高试验准确性和效率的需要

在导弹飞行试验等大型专项任务中，由于试验样本较少，对各类目标拦截点和发射时机的准确选择和把握非常重要，其准确性对试验结果分析和评定有很大影响。例如在舰空导弹飞行试验中，目标靶机或靶弹飞行速度都较快，发射窗口小，并且各参试兵力在目标航路控制上都必然会存在偏差。通过STC2S，能够根据试验方案及实际兵力运行情况，实时纠正参试兵力的偏差或视情调整试验方案，及时有效避免无效航次;根据试验综合态势、实时数据显示以及系统辅助分析决策信息，能使指挥员科学准确控制拦截时机，准确完成试验目标，有效避免导弹及靶标的浪费，提高试验质量和效率。

1.3 靶场试验能力发展的需要

STC2S系统对外连接靶场的信息化装备，对内连接载舰的参试武器装备，实现了靶场试验资源综合运用和海上武器试验的科学指挥和控制，大大提高靶场的综合试验能力。在靶场的信息化系统的未来建设中，将STC2S纳入到整个系统架构中，可实现多兵力、多平台、多目标的大型地域分布综合试验过程的实时指挥和控制。

1.4 系统发展现状

1)简易STC2S

由于第一代基于模拟信号的舰载武器系统装备靶场试验内容相对简单，当时以载舰扬声调度系统为核心的简易STC2S基本能满足试验要求。

2)便携式STC2S

进入21世纪，以数字化信息处理为核心的第二代武器系统陆续开始研制、鉴定，其试验区域扩大的同时增加了机动目标、多目标等复杂试验项目;试验安全控制的需要，迫切要求研制基于信息系统的STC2S。在无法实现对现有试验舰船简易STC2S改造的情况下，便携式系统的研制为试验提供了最大支持。

笔者先后为不同舰空导弹武器系统试验配套研制了2套便携式STC2S系统，第一套系统解决了陆基信息接收、载舰武器装备信息采集、实时态势生成及显示等基本问题;第二套系统在电子海图技术、试验方案制定及推演、数据实时处理技术和试验辅助决策技术等方面进行了创新。两套系统先后部署于综合试验舰、护卫舰等不同舰艇上，在对应的舰空导弹设计定型、验证、演练和批抽检试验中，得到了全面应用。

3)新型STC2S

为从根本上提高靶场在舰载试验指挥控制领域的综合能力，靶场为某综合试验舰配装了固定的STC2S系统，该系统以本试验舰为中心，针对不同武器实验需要，加强系统总体设计，首次综合融合了靶场相关信息，提供了强大的数据交互功能，满足了该综合试验舰各类海上试验的指挥控制需要，大大提高了该舰综合试验能力。同时，该系统通过与靶场信息化系统互连互通，提高了靶场的综合试验能力，并为后续靶场相关信息化系统的建设奠定了基础。

2 系统与靶场其它系统的关系

目前，靶场各测控装备、通信装备基本都经过了信息化改造，并形成了初步的分布式靶场信息化体系，但主要侧重于将靶场外测设备进行信息化联接，没有将参试兵力，尤其是海上舰艇等重要参试兵力纳入到靶场整个信息化系统中，造成海上舰艇及陆上指挥控制中心都不能充分利用相互的试验资源。因此，在建设靶场STC2S的核心任务时，将其融入靶场信息系统中。在系统融合过程中，需要解决STC2S与靶场现有装备联接、信息融合等问题，存在着接口关系复杂、信息处理量大、实时要求高等技术难题，对STC2S的设计与实现提出了严峻考验。STC2S在靶场信息系统所处位置及与其它系统联接关系如图1所示，主要包括与靶场信息化装备的互联、与载舰平台装备的互联和与其它参试兵力的互联三部分，下面进行详细说明。

图1 舰载试验指挥控制系统对外联接关系图

2.1 与靶场信息化装备的互联

STC2S与靶场陆上信息化设备连接时，主要包括如下装备/节点:提供导弹、目标各种测控信息的靶场测控装备;能够提供或转发的诸多试验资源的靶场指控中心;提供各种仿真目标、仿真导弹、仿真火控系统等各种仿真试验资源的仿真实验室;提供数据传输通道的靶场通信系统端点设备等。

2.2 与载舰平台装备的互联

STC2S的核心作用，是实现对载舰平台上被试及参试装备的指挥和控制，因此，与舰载平台相关设备的联接互通是STC2S的核心内容。STC2S与载舰平台联接，主要是为获取舰艇平台综合导航信息和被试/参试武器系统信息。

2.3 与其它参试兵力的互联

STC2S通过制定信息交互协议标准，以固定装备及便携装备等方式部署于各参试舰艇平台上，构建STC2S信息交互网络，通过网格实现信息共享，从而使网格中任一STC2S均能与其它试验舰、海军作战舰艇、指挥舰等参试兵力进行信息的交互，实现数据信息的互联互通。

3 系统功能及结构设计

3.1 功能划分与节点设计

STC2S用户包括技术指挥员、技术首长、普通参试人员、试验参谋和系统操作员等不同类别人员。STC2S实现的主要功能为实时数据处理、设备数字引导、试验指挥显示和试验航区安全控制［3］，具体包括:1)实现对试验信息采集、实时处理;2)将试验信息实时转化为可视性信息进行态势显示，以图形、数据、图像等形式进行显示;3)根据试验信息的动态变化过程，系统实时给出自动化指挥决策信息;4)完成对试验数据和信息的数据库管理，便于事后进行试验过程重放和数据分析。

STC2S根据需要，可以设置如下节点:数据及信息采集节点、试验态势综合显示及辅助决策节点、武器装备状态监控节点、方案设计及试验过程推演等独立节点，每个节点可配置一个到几个相对独立的软件模块。系统内部节点及其内外信息关系如图2所示。

图2 数据采集节点内外信息关系示意图

3.2 系统软件架构设计

为提高系统运行效率，同时满足多用户、多节点协同工作的要求，必须加强系统软件上层架构设计。基于系统位置分布、功能分布、控制分布的全分布的特点，系统采用开放式的体系结构，广泛使用应用组件和良好定义的接口，使改变该系统的功能和能力时所增加的成本最低［4］，结合软件模块化结构层次及框架设计，提高STC2S的维护性和可靠性。

考虑STC2S系统需要与武器装备系统、载舰传感器、外部通信系统进行大量数据交互，为使外部交互对象的升级和替换对系统内部造成的影响降到最低，系统在设计时根据扩展性和维护性要求，对其进行横向分解，划分为多层，每一层为它的上层提供服务，并作为下层的客户［5］。各层之间通过统一、尽量少的接口进行通信，避免跨层的通信，尽量做到层之间的单向依赖，上层依赖于下层的抽象接口。通过层次设计与实现，可以将各层次之间的耦合度降到最低，各软件功能层之间采用软件中间件接口，隔离层次内部的特殊实现，在层次内部的算法和策略替换不会影响到其它层次。系统的软件层次逻辑关系如图3所示。

图3 系统软件层次逻辑关系图

3.3 软件实现设计

系统软件根据软件中间件设计思路，从功能角度划分为基础中间件、应用支撑中间件和专业应用中间件三大类，提供软件集成框架和标准软件构件接口。

3.3.1 基础软件中间件

基础软件中间件实现网络通信和数据访问、窗口管理、时间服务、消息服务、实时任务调度服务、数据一致性管理服务、综合图形显示和输入服务等功能，为其它软件提供基础性服务。

3.3.2 应用支撑中间件

应用支撑软件中间件是系统应用领域相关的支持功能模块，进一步屏蔽和封装相关功能，在应用领域内具有一定通用性。例如，数据通信处理中间件提供数据交换管理服务，通过定义内部灵活可扩展通信协议，对复杂的下层通信协议进行封装，有效地屏蔽底层系统的差异，实现应用软件各模块的业务数据交换。

3.3.3 专业应用中间件

该类中间件为系统应用领域相关的专业应用模块提供支持，对专业领域的应用进行屏蔽和封装，确保专业应用模块之间具有一定的独立性。例如，雷达目标的真值输入及参数数据输出中间件，通过定义标准化的输入参数信息表，为不同类型目标提供相同的真值数据格式，并将输出数据整理为统一的输出格式。

4 关键技术

4.1 试验信息时空一致性处理技术

STC2S试验中所需的各种信息来源多、数量大、传输方式多样，要实时处理来自不同系统的不同信息格式、不同时延的近50批目标数据。系统采用GPS/北斗方式与外部系统实现绝对时间同步，内部采用NTP方式保证各组成设备间的相对时间同步，结合时空配准方法解决试验信息时空一致性问题。

时空一致性解决方法，主要通过以下步骤将来自不同信息源的数据转换到以本舰为中心的东北天坐标系中:

①坐标原点平移;

②东北天坐标转换为球坐标;

③球坐标转换为东北天坐标;

④大地坐标转换为东北天坐标;

⑤东北天坐标转换为大地坐标

再将同一坐标系中目标外推，得到同一时刻目标位置速度，如下式:

其中，Ti为处理时刻，k平台，为Ti时刻所拥有的k的航迹数据时间，()为时刻目标位置、速度参数，(，)为配准后Ti时刻目标位置、速度参数。

4.2 基于GIS综合态势实时显示技术

利用先进的数字海图显示技术进行各类态势的直观、形象地综合显示。以不同海域、不同比例尺的环渤海电子海图为基础，采用电子海图的坐标投影技术，在海图上叠加显示雷达情报、测控信息和情报等内容。动态信息主要包括各类动目标航迹信息、告警信息和辅助决策信息等，静态试验相关信息包括各类航区、试验区、禁区、雷达的部署、港口的设置、石油开采平台和试验方案/预案等内容。在数字电子海图技术中，采用国际通用GIS数字地理信息系统，利用成熟的电子地图显示编辑、地图移动和缩放控制等技术，实现强大的综合态势显示功能。试验态势的实时显示是要将试验过程中目标状态变化及时展现出来供指挥员参考及决策。常用的实现技术有3种:按时间轮询、按消息的发送和按事件推进。本系统采用动态方式，根据不同的应用情况来选择相应的动态表现方法，其选择的标准是使试验态势的动态表现高效、准确。

4.3 基于人工智能的辅助决策技术

靶场海上试验从试验方案制定到试验实施是一个复杂、严谨的过程，涉及大量试验人员以及各种试验兵力、参试兵力、测量装备等，任何环节的失误都将导致试验的失败，将耗费大量的人力、物力。将图形匹配和试验专业要求内容结合，建立了一套针对战术导弹/火炮飞行试验的辅助决策方法。该方法针对导弹/舰炮试验具体业务要求，以试验方案和融合后综合试验态势为基础，引入基于人工智能匹配技术，利用计算机的高效计算能力和丰富的数据资源，实现航迹质量信息辅助决策、发射区信息辅助决策、航路捷径信息辅助决策、发射口令辅助决策、导弹飞行状态及导弹安控辅助决策等多方面辅助决策，辅助指挥员及时作出决策。

4.4 试验信息综合融合技术

STC2S多源信息来自于不同类型的传感器、不同级别的测控装备和系统，利用综合融合技术对这些不同层次、不同粒度、不同覆盖区域的信息作处理，形成覆盖全区域的、时空一致的统一态势，扩大感知目标的范围，提高目标信息的连续性和一致性。系统在解决航迹融合关键技术时，采用两级相关、航迹合成和滤波技术，减少虚假目标，提高了目标综合航迹精度。

1)基于方案信息的粗精两级相关技术

粗相关过程，针对两条航迹的航迹点建立关联函数，即关联概率与相对距离、速度差、航向差条件之间的关系:

实际中简化处理，针对 R、ΔV、ΔC设置门限 MR，MΔV，MΔC，当R ＜ MR并且|ΔV|＜ MΔV并且|ΔC|＜ MΔC时关联概率=1，否则，=0;

精相关过程，将航迹当前时刻的关联与其历史信息联系起来，最近的Ns周期内平均关联概率为

其中，M1、M2分别表示两个信息源的航迹数量。类似于“最近邻域”法，可以得到两信息源航迹关联的规则为:

①当一个信息源的任一条航迹都最多只与另一信息源的一条航迹相关联成功，则直接关联成功。

②当一个信息源的一条航迹与另一信息源的多条航迹相关联成功，则认为平均关联概率最大的两条航迹源自同一目标，关联成功。

③当关联矩阵为矩阵，表明两信息源没有相关的航迹，关联结束，进入下一时刻航迹关联。

2)航迹合成和滤波技术

考虑靶场试验测量设备的特殊性，不同设备的测量精度有较大差别，将建立相关关系的航迹按照以下原则处理合成:①按照设备测量精度排序，有高精度设备测量数据时，按照最高精度数据作为融合合成数据;②有多个最高精度数据时，取平均值作为融合合成数据;③最后对合成后航迹数据按照卡尔曼滤波过程进行处理，计算得到目标位置、速度参数分量。

5 结束语

STC2S系统是靶场试验、训练以及海军演练等指挥工作必不可少的试验基本保障之一，也是国防和军队信息化建设的基本要求，是靶场综合试验能力的重要体现。新型STC2S成功研制和使用将使靶场海上试验的指挥工作更加科学、准确、高效，对确保武器装备试验及大型综合型试验的圆满成功起到保障作用。同时，通过STC2S系统的研究与研制工作，将促进靶场整体信息化系统的建设，大大提高靶场信息化系统应用水平，从而为靶场试验工作的科学化、正规化做出应有的贡献。

［1］吴雷，等.导弹部队网络中心战问题研究［J］.指挥控制与仿真，2006，28(2):18-21.

［2］熊群力，等.综合电子战:——信息化战争的杀手锏［M］.北京:国防工业出版社，2008:396.

［3］孙君亮，于古胜，李忠武.靶场指控及显示系统发展趋势分析［J］.指挥控制与仿真，2006，28(4):99-102.

［4］宋跃进，等.指挥控制与火力控制一体化［M］.北京:国防工业出版社，2007:130.

［5］付燕，等.软件体系结构实用教程［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009:37.